氧化亚氮/乙烯推进剂预混燃烧特性试验研究

氧化亚氮基单元复合推进剂是一种新型、高能、无毒的单组元推进剂,具有广阔的应用前景。开展了氧化亚氮/乙烯推进剂在室压0. 7 MPa和1. 0 MPa条件下、混合比6. 2～10. 6范围内的预混燃烧特性试验,获得了混合比、燃烧室特征长度等对特征速度和燃烧效率的影响规律。试验结果表明:当量孔径为65μm、厚度为5 mm的不锈钢多孔材料具有良好的防回火效果,所有试验工况均未发生燃烧室回火现象; N_2O/C_2H_4推进剂的理论特征速度和试验特征速度均随着混合比的增大而减小,最高燃烧效率达到了95. 0%;随着燃烧室特征长度的不断增大,燃烧效率先增大后减小,对所试验的特定喷注器结构的铜热沉模型燃烧室来说,最佳的燃烧室特征长度在1. 675 m左右。     

滑动弧等离子体辅助超声速燃烧实验研究

将滑动弧等离子体运用在Ma=2.92的乙烯燃料超声速燃烧室中,运用40 k Hz CH*自发辐射,电流电压探针和压力传感器进行诊断。针对不同当量比研究了滑动弧等离子体对超声速火焰的燃烧增强效果,并观测到滑动弧等离子体的稳焰现象。结果表明,超声速燃烧中滑动弧等离子体有助燃作用,在当量比为0.12和0.16时助燃效果更明显,而对于贫燃工况助燃效果不明显。在全局当量比为0.16时,施加滑动弧等离子体后壁面压力平均提升12%,时均火焰面积提升27%。原因是等离子体和凹腔结合作用,强化了凹腔给主流火焰提供热量和自由基的作用。同时,再点火生成的初始火核能够传播至凹腔驻留区,在燃烧不稳定工况下有助于超声速火焰的稳定。     

两种优化组合式燃料喷注方案的凹腔稳焰特性实验研究

在马赫数2.0,总压0.98 MPa和总温920 K的超声速来流条件下,针对现有常见的凹腔组合式燃料喷注方案出现的燃烧不稳定和火焰吹熄现象,通过改变凹腔上游壁面双路燃料喷注的位置,设计了两种优化的凹腔组合式喷注方案,并对不同燃料喷注方案下的火焰稳定过程进行研究。通过高速摄影和CH*基自发辐射成像技术,详细观测了后缘突扩凹腔燃烧室中乙烯火焰传播过程。研究表明,原始的喷注方案容易发生火焰振荡,并伴随着火焰回传现象以燃烧模式的转换;当量比超过0.3时,就难以实现稳定燃烧,并出现火焰吹熄现象。两种改进的喷注方案均能增强燃料射流与凹腔的相互作用,可在更宽燃料喷注当量比范围内维持火焰不被吹熄。相比于增加上游喷注与凹腔前缘距离的喷注方案而言,增加双路燃料喷注之间距离的喷注方案的稳焰效果更好,燃烧反应区也更加靠近凹腔前缘,燃烧释热也更强。这种喷注方案可为超燃冲压发动机燃烧室中凹腔燃料喷注方案的优化设计提供参考。     

三基色测量法在S-GAP推进剂火焰温度分布中的应用(英文)

介绍了一种测量推进剂火焰温度的新方法,即三基色测量法(PCM)。采用三基色测量法测试了S-GAP推进剂(以HMX为氧化剂)的燃烧火焰温度。结果表明,随着的压强增加,S-GAP火焰区更接近燃烧表面;随着推进剂中HMX的增加,暗区变薄。S-GAP推进剂的火焰温度分布呈等温线形式,1 MPa下火焰温度范围为970～1 600℃,当压强增大为3MPa时,火焰温度范围为1 200～2 200℃。PCM法与热电偶方法测量的最高燃烧火焰温度值较为接近。     

MMH/NTO双组元自燃推进剂反应机理简化

采用反应流分析结合灵敏度分析的简化方法,对MMH/NTO详细燃烧化学反应机理进行了简化,获得包含25个组分和43个基元反应的MMH/NTO简化反应动力学模型。并从着火延迟时间和燃烧火焰温度两方面,通过对比理论结果、详细机理和简化机理预测结果,在较宽范围参数内对简化机理进行了验证。验证结果表明简化机理和详细机理预测的MMH/NTO体系的着火延迟时间和燃烧火焰温度具有非常高的一致性,说明了简化反应机理的合理性。进而分析了初始温度、燃烧室压力、氧燃比对MMH/NTO体系的着火延迟时间和燃烧火焰温度的影响规律,MMH/NTO体系的着火特性对初温和燃烧室压力较为敏感,燃烧火焰温度则对氧燃比和燃烧室压力较为敏感。为后续发动机燃烧的CFD数值计算提供了准确的反应动力学模型。     

高马赫数来流超燃冲压发动机燃烧流场分析

以模拟自由来流马赫数12的地面试验氢燃料超燃冲压发动机为研究对象,应用商用计算流体力学软件CFD++;针对高马赫数来流下的超燃冲压发动机的典型流场结构、空间释热分布、预混/非预混燃烧模式和火焰稳定机理开展了分析研究。计算中采用7组分、9反应步的氢气/氧气动力学模型,使用壁面函数结合两方程剪应力输运模型,基于雷诺时均化方法开展计算,数值结果与试验数据相符较好。1)验证了CFD++软件在高马赫数来流下的适用性和计算精度;2)分析了高超声速来流下的燃烧室流场特征;3)获得了高马赫来流条件下的发动机燃烧效率、释热区间、预混/非预混燃烧模式的空间分布规律;4)为进一步开展高马赫数下的发动机精细化流场计算和多尺度燃烧过程研究提供了重要依据。     

复合固体推进剂燃烧的多焰模型

本文提出了高氯酸铵(AP)复合推进剂的一种燃烧模型。此模型是根据各个氧化剂晶粒周围的火焰结构建立的;对氧化剂晶粒和粘合剂骨架之间的关系进行了统计估计。考虑了三个不同火焰区:1.粘合剂和氧化剂分解产物之间的初焰;2.预混氧化剂焰;3. 以上两种产物的末扩散焰。对于气相反应,可假定为简单的球形运动,而且假设推进剂组分的表面分解可用简单的阿仑尼乌斯(Arrhenius)方程表示。燃烧过程中氧化剂的分解则被取作总的控制因素。所得结果表明,计算出的表面温度和从模型预测的氧化剂含量影响与实验的趋向一致。预测的颗粒大小影响比实验值稍高,而温度敏感度与实验数据完全符合。计算结果表明,在推进剂表面发生比较强烈的放热反应。显然,高氯酸铵在表面薄层熔化时部分地放热分解,这在以往的AP爆燃研究中曾报道过。     

当量比对超声速燃烧室性能影响的数值研究

采用欧拉-拉格朗日法在来流Ma=2的条件下,对带支板凹腔组合结构的煤油超燃燃烧室的内流场进行数值计算,分析了燃烧室下游支板不同当量比对燃烧室燃烧流场的影响,并对燃烧室的性能做了定量分析。研究表明,随下游支板燃料当量比增加,燃烧反压对燃烧室上游影响加重,流动分离区扩大,上游燃料发生亚声速燃烧状态,且亚声速燃烧区域变大。在支板和凹腔共同作用下,凹腔后方形成了亚声速燃烧区和超声速燃烧区,当量比增加时超声速燃烧区减小,亚声速燃烧区扩大,从而有利于燃料的充分混合和燃烧。随当量比增加,燃烧室总压恢复系数和推力增加,燃料消耗率和比冲量减小。     

镁基水反应金属燃料一次燃烧波特性研究

采用单幅火焰照相、Π形微热电偶等技术,研究了镁基水反应金属燃料一次燃烧火焰特性,得到了燃烧波温度分布曲线及各温度区厚度等参数.初步分析了燃料体系在燃烧表面附近的燃烧特征.结果显示,燃烧室压强为1.0 MPa时,燃面温度和气相火焰温度分别为556℃和1270 ℃;随着燃烧室压强的增大,镁基水反应金属燃料凝聚相反应区厚度增大,燃面温度升高,气相火焰温度升高,火焰明亮程度增强;气相火焰中包含着镁的异相反应,产物中含有大量的镁蒸气.     

三乙胺与硝酸-27S自燃技术研究

三乙胺和硝酸-27S作为自燃推进剂可应用于火箭发动机中。对这两种自燃推进剂的燃烧性能进行了研究,应用逐步逼近法计算其热力性质,当最佳混合比为4．1,燃烧室压力为4．5MPa时,最佳海平面比冲为2786m／s。通过试验证明了三乙胺和硝酸-27S自燃技术的可行性。     

燃油分配对超燃冲压发动机的性能影响仿真分析

针对超燃冲压发动机两级燃油分配对内流道流动过程、燃烧模态、发动机性能及调节特性的影响问题,建立了发动机一维流动分析模型;对马赫数6/当量比1,马赫数6/当量比0.6,马赫数4/当量比1三种工况不同的一级/二级燃烧室燃油分配比例下的流动过程进行了仿真,并获得了不同燃油分配规律下的发动机性能.通过分析表明：超燃冲压发动机的两级燃油分配比例直接影响发动机内流道内的流动参数分布、燃烧模态及发动机比冲等性能参数.对于马赫数6/当量比1工况,当一级燃烧室的燃油分配比例为30％～70％时,可在全流道内组织纯超声速燃烧,最高比冲超过800 s;对于马赫数6/当量比0.6工况,即使将所有的燃油均在一级燃烧室喷入,流道也不会壅塞,该工况下最大比冲超过800s;对于马赫数4/当量比1工况,燃烧室内组织亚声速燃烧,最大比冲为1 031.9 s;为保证亚声速燃烧扰动不传递到燃烧室入口外,一级燃油分配比例不应过高.     

振荡环境下多层三明治模型火焰波动特性研究

基于OpenFOAM计算平台,针对发动机振荡环境下AP/HTPB复合推进剂微观火焰的燃烧波动特性开展了数值计算研究。由于传统的三明治模型并未考虑相邻火焰之间的影响,因此本文采用多层三明治构型,在平均压强5.7 MPa、振荡频率323 Hz、压强振荡幅值为0.2 MPa、质量比α_(AP/HTPB)=7/3的情况下,开展数值模拟和分析工作。结果表明,基于OpenFOAM的建立的数值模拟方法,可获得发动机振荡环境下AP/HTPB三明治模型火焰的波动特性,包括火焰高度、火焰摆动角度、对近燃面气相区域的热反馈等参数的变化。对比分析表明,相邻火焰会对彼此的火焰波动特性产生影响,多层三明治模型对推进剂细观火焰的描述更加合理。     

水反应金属燃料在水蒸气环境下的稳态燃烧特性

为探索高金属含量水冲压发动机的稳态燃烧机理,开展了镁基高金属含量水反应金属燃料在水蒸气氛围下的稳态燃烧试验研究,燃料中金属镁含量高于70%.采用直径0.5 mm的K型热电偶测量燃料燃烧波曲线,并拍摄了火焰图片.结果显示,工作压强2.0 MPa时,燃料稳态燃烧的燃面温度约为900.1℃,气相平衡火焰温度约为1 214.9...     

煤油/氧气同轴离心喷嘴燃烧数值模拟

为了更好地了解同轴离心喷嘴的工作特性,基于DDES模型研究了油气比分别为0.5、1、1.5下以煤油/氧气为推进剂的喷嘴的流体动力学特性与非预混燃烧特征。研究结果表明:由于旋流离心作用,在喷嘴出口轴心处和燃烧室顶部分别存在一个驻定涡和角涡,驻定涡径向分布在0.9 R~1.4 R,轴向尺寸在-1 R~14 R,随着燃料流量增大,驻定涡会向喷嘴内部推进,并且径向尺寸也会扩大。燃烧计算结果表明,随着燃料流量增大,推进剂的掺混拖曳区变长、掺混效果变好;而由于油气比的增加,燃烧室更加富油因此燃烧温度有所下降,同时火焰前锋向喷嘴内移。     

SRM点火瞬态凝相粒子对火焰传播过程的影响

以Fluent计算软件为工具、时均化N\|S方程、RNG k-ε湍流模型、P1辐射模型、颗粒 轨道模型为基础、美国“大力神4”运载火箭助推发动机PQM -1为算例,采用流固耦合传热的火焰传播边界条件,建立了二维轴对称纯气相流动和气固两 相流动模型,分析了大长径比SRM点火瞬态凝相粒子对火焰传播过程的影响。分析结果表明 ,与纯气相流动模型相比,两相流模型中凝相粒子的辐射、阻尼、拖拽等作用改变了火焰在 装药燃气通道、径向翼槽内的传播过程;两相流动模型可正确预示大长径比SRM的初始发火 点和火焰传播过程。     

耦合凝相-气相动力学机理的二硝酰胺铵燃烧模型

为了研究二硝酰胺铵ADN(Ammonium Dinitramide)固体推进剂燃烧物理化学过程并预测其燃 烧特性,建立一个耦合凝相-气相动力学机理的ADN燃烧模型。该模型基于凝相与气相的总连 续方程、组元连续方程、能量守恒方程及有限速率化学动力学方程而建立,并引入多组元系 统状态方程封闭方程组。模型中包含34种组元,1个固相（凝相）ADN分解总化学反应和165 个气相细节（基元）化学反应,并使用以温度函数表示的物性参数进行计算。应用气相燃烧 模型 对0.6 MPa下ADN燃烧火焰温度、组元摩尔浓度分布进行预测;应用耦合凝相-气相的燃烧模 型对0.2 MPa～36 MPa压强区域内柱状端燃ADN推进剂燃速、燃烧表面温度进行预测,计算结 果与文献报道试验数据较吻合。说明该燃烧模型能够较准确描述ADN气相燃烧波结构和ADN固 体推进剂燃速特性。
     

饱和状态下的不稳定燃烧自适应控制

研究了易受自激燃烧振荡破坏的一类燃烧系统的控制.近年来一种名为自调谐调节器(STR)的自适应稳定控制器得到了发展.这种调节器在尽可能少地依赖于一个特别的燃烧模型的同时,又保证了调节器不会造成危害.控制器根据检测到的振荡信号,非稳态地注入一些燃料到燃烧区,在那里转换成热释放出来.本文着重阐述了一种STR设计的扩展方法,这种STR设计扩展方法适用于由于紧急激励的要求及为避免火焰扩展造成危险而采用有限数量燃料进行控制的情形.采用李亚普诺夫稳定性分析方法来证明当被施加饱和强制时,改进的STR的稳定性.改进的STR仍保持了简单、实用性,同时,基于Dowling提出的非线性预混火焰模型得到的仿真结果显示了在饱和条件下,用改进的STR模型比用未改进的STR模型可以更快地抑制自激振荡.     

用于先进火箭发动机的富氧预燃室

洛克达因公司已成功地设计和生产出了富氧的液氧/气氢预燃室,并在燃烧室绝压为14.1～21.3MPa,质量混合比为117—174,推进剂总流量为14.0～23.6kg/s 的工作范围内通过了热试车考验。按费用低、重量轻、易操作等原则设计的先进的富氧预燃室,其推进剂射流都处在同一个平面上(喷注面),以实现沿不冷却的燃烧室轴线方向的均匀燃烧。在八次主级工作时间为1～5秒的试车中,直径89mm 的富氧预燃室喷注器多次反复地验证了其良好的点火、火焰传播和火焰维持等特性,而且当通过测量计算所得的特征速度效率为99%时,没有不稳定燃烧的迹象出现。此时测得的燃气平均温度从260℃(混合比 I_m—174)到538℃(r_m—117),而且每次试验,各方向热电偶的测量值相差不大于24℃。全尺寸的富氧 LOX/GH_2预燃室的成功热试车证明了全流量补燃循环(Full-Flow Staged Combustion Cycle 简称 FFSC 循环)发动机设计的一个关键启动技术已被突破。本报告总结了富氧预燃室的研究情况并进而对确保可靠地实现点火、火焰传播和火焰维持,使预燃室形成高水平的推进剂混合和质流的均匀性的喷注器进行了设计分析。     

氧化亚氮和氧气二元组分气-液相平衡研究

为提高液体氧化亚氮的自增压性能,使用PR(Peng-Robinson)状态方程,求解不同百分含量、温度、压强条件下氧化亚氮和氧气的相平衡状态,得到-40～30℃下二元组分气-液相平衡数据,并与文献中的实验数据进行对比验证。结果表明:计算获得的相平衡数据与文献中的实验数据吻合程度较好,PR状态方程能较好地描述该二元组分气-液相状态;在相同的温度条件下,随着压强的升高,气相密度增大,而由于氧气的溶解度增大导致液相密度逐渐减小,-40℃时压强从1MPa增大到15 MPa,气相密度提高了28倍,液相密度从1 126kg/m3减小到767kg/m3;在一定压强条件下,与气相密度相比,液相密度受温度的影响更显著,8 MPa时气相密度从-40℃的200kg/m3升高到30℃的318kg/m3,液相密度从-40℃的1 035kg/m3减小到30℃的542kg/m3。     

N_2O自增压贮箱的动态供应特性

建立了氧化亚氮(N_2O)贮箱自增压模型并完成了模型校验,获得的贮箱压力计算值与实验结果吻合良好。针对自增压贮箱供应液态介质时的动态工作特性开展了仿真计算,结果表明:在相同的质量流量下,供应液态推进剂比供应气态推进剂更有利于维持箱压和流量稳定;受蒸发吸热作用的影响,自增压贮箱在供应过程中压力总是呈下降趋势。给贮箱加热有利于减缓其压力的下降速度,但存在压力响应滞后、换热面积减小等问题,不易获得稳定的动态供应压力。